JP4955757B2 - 集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置 - Google Patents

Description

本発明はエネルギー装置に関し、特に集光及び集熱が可能な太陽エネルギー装置に関するものである。

太陽エネルギーは無限に降り注ぐ再生可能なエネルギーであるので、市場には、例えば太陽エネルギー発電装置、ソーラークッカー、太陽エネルギー集熱装置などの太陽エネルギーをエネルギー源とする様々な装置が現れている。現在、市販の太陽エネルギー装置では、光エネルギーや熱エネルギーの収集を吸熱または吸光による方法を用いて行い、光エネルギーや熱エネルギーの収集装置（太陽エネルギーパネル）の形状として平面、管状、溝形または放物面の形状を用いることが多い。このような製品の太陽エネルギーパネルは設置面積が大きいものの、太陽エネルギーの光エネルギーや熱エネルギーに対する集熱効果および集光効果は普通である。

本発明は上述した課題を解決するために、太陽光の採光面積を拡大し、太陽エネルギー装置の設置面積を減少し、吸光及び吸熱の効率を向上させることができる集光及び集熱を行う太陽エネルギー装置を提供することを目的とする。

本発明の目的はつぎのように実現される：
中空体の構築物であるブラケット構造と、
このブラケット構造の中空体内に置かれ、上が広く下が狭い幾何構造の容器壁により構成される中空体を含み、且つ該中空体に少なくとも一つのカップ状の底部構造が設けられた少なくとも一つの太陽エネルギー吸収装置と
を備えた集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置であって、
この容器壁が、吸光及び／または吸熱材料で製作された外壁と、該外壁に密着し、光反射可能で不可視光を透過できる材料で製作された内壁とにより構成され、
この内壁の構造が、弧状または板状であって、上から下に向かう太陽光を前記太陽エネルギー吸収装置の内部で内側に且つ下側に反射させて、前記太陽エネルギー吸収装置の内部のカップ状の底部構造に集光及び／または集熱効果を発生させるものであり、さらに、
このカップ状の底部構造が、前記太陽エネルギー吸収装置の外壁と同じ材料で製作されたことを特徴とする。

この太陽エネルギー吸収装置の内壁に、前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁と同じ材料で製作された穴の壁と、前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁と同じ材料で製作された底板とによって構成されるエネルギー吸収用穴が複数順序よく並ぶように設けられる。

前記太陽エネルギー吸収装置の頂部に、熱エネルギーの保温・集熱効果を増強するように、透明で光透過性材料で製作された保温シール層が設けられる。
前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板である場合には、前記内壁に吸熱性の光反射材料が用いられ、前記カップ状の底部構造にこの外壁と同じ集熱管板が用いられ、且つこの外壁とこのカップ状の底部構造の外側に保温材層が設けられる。

前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルである場合には、前記内壁に不可視光を透過できる光反射材料が用いられ、前記カップ状の底部構造にこの外壁と同じ太陽電池パネルが用いられ、且つこの外壁とこのカップ状の底部構造の外側に電池パネル部品が設けられる。

前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルである場合には、前記内壁に不可視光を透過できる光反射材料が用いられ、且つ前記カップ状の底部構造に熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板が用いられる。

前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板である場合には、前記内壁に吸熱性の光反射材料が用いられ、且つ前記カップ状の底部構造に光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルが用いられる。

前記太陽エネルギー吸収装置の下部に、前記ブラケット構造に固定される、ソーラークッカーとソーラーオーブンとソーラー暖炉とを含む太陽エネルギー利用装置が設置されている。

前記ブラケット構造は、金属構造、フレーム構造またはコンクリートレンガ構造の部材によって構成される。

本発明に係る太陽エネルギー装置は、構築物たる太陽エネルギー発電・熱供給装置であり、ブラケット構造は金属構造、フレーム構造またはコンクリートレンガ構造の部材により支持保護される。

本発明に係る太陽エネルギー装置は太陽エネルギー・電気エネルギー装置として、光エネルギーを電気エネルギーに変換することで、太陽エネルギー制御装置、太陽電池、蓄電池、電力消費装置と接続し、あるいは直接電力供給システムと接続し、太陽エネルギー発電・電力貯蔵装置を構成する。

本発明に係る太陽エネルギー装置は太陽エネルギー・熱エネルギー装置として、太陽熱エネルギーを物理的な熱エネルギー（例えば、熱水、熱油、熱ガスなど）に変換し、そして蓄熱装置、温度制御装置、熱エネルギー利用装置（例えば、暖房装置、ソーラー空調設備、湯沸かし器装置など）に送り、太陽エネルギー・熱エネルギー装置を構成する。

本発明に係る太陽エネルギー装置の吸光、吸熱領域は、当該太陽エネルギー装置の中・下部の領域にあり、太陽電池パネルと熱エネルギーパネルにおける光エネルギー、熱エネルギーの収集使用効率を向上させ、太陽光の採光接触面積を拡大し、太陽エネルギー装置の設置面積を減少させた。

本発明の太陽エネルギー装置は、都市と農村、山地区における個人及び団体ユーザに広く使用でき、省エネルギー、環境保全及び樹木伐採の減少に対して重要な経済的利益及び社会的利益を有する。

都市では、当該装置は別荘、高級マンションのための補助施設の商業化として使用でき、高い商業化普及の前途を有する。また、当該装置は良い実用性を有し、農村または山地区では、保温材に保温レンガ、保温土、保温モルタルなどを使用でき、光反射層に安い光反射材を使用でき、集熱材料に安い管材を使用できるという方式によって簡易に取り付けることができる。そのため、農村で当該装置を使うと、コストを削減でき、普及の見込みが良好である。

本発明に係る太陽エネルギー装置は太陽エネルギー発電所、集中熱供給工場における発電、熱供給装置としても使用でき、巨大な経済的利益及び社会的利益を有する。
本発明の上述した目的、構造特徴及び効果を更に説明するために、以下、図面を参照して本発明を詳しく記述する。

以下、図面を参照して本発明の集光及び集熱の太陽エネルギー装置の実施形態を詳しく説明する。
図1は、本発明に係る太陽エネルギー装置の実施例における奥行方向の断面構造の概念図である。

図1に示すように、本発明の集光及び集熱の太陽エネルギー装置の構造について説明する。
本発明は、中空体の構築物であるブラケット構造３００を備える。このブラケット構造３００は、金属構造、フレーム構造またはコンクリートレンガ構造の部材によって構成され、太陽エネルギー装置を支持するブラケットである。

また、本発明は、前記ブラケット構造３００の中空体内に置かれ、上が広く下が狭い幾何構造の容器壁１１によって構成される中空体を含み、且つ該中空体に少なくとも一つのカップ状の底部構造１２が設けられた太陽エネルギー吸収装置１００を少なくとも一つさらに備える。この容器壁１１は、吸光、吸熱材料で製作された外壁１１１と、この外壁１１１に貼り付けられ、光反射材料で製作された光反射層が用いられる内壁１１２とによって構成される。そして、この内壁の構造は、弧状または板状であり、上から下に向かう太陽光を前記太陽エネルギー吸収装置の内部で内側に且つ下側に反射させて、前記太陽エネルギー吸収装置の内部のカップ状の底部構造１２に集光・集熱効果を発生させる。このカップ状の底部構造１２は、太陽エネルギー吸収装置１００の外壁１１１と同じ材料で製作され、光反射層を有しない。

太陽エネルギー吸収装置１００のエネルギー貯蔵効果をより良くするために、前記太陽エネルギー吸収装置１００の頂部に、熱エネルギーの保温・集熱効果を増強するように透明で光透過性材料で製作された保温シール層１０が設けられている。この保温シール層１０に強化ガラスを用いることができ、このようなシール構造の太陽エネルギー吸収装置１００では、熱エネルギーの保温・集熱効果を増強し、熱エネルギーの放出を減少し、雨水の浸食も防止でき、建物における太陽エネルギー装置の美観を向上させた。

大型発電所、集中熱供給工場に対して、図２に示すように太陽エネルギー吸収装置１００の頂部に密閉方式を用いなくてもよい。図２は太陽エネルギー吸収装置の頂部に、透明で光透過性の保温層を使用しない場合の概念図である。このとき、太陽エネルギー吸収装置１００のエネルギー吸収効率を向上させるために、前記太陽エネルギー吸収装置１００の内壁１１２には、太陽エネルギー吸収装置１００の容器壁１１と同じ材料で製作された穴の壁と、太陽エネルギー吸収装置１００の外壁１１１と同じ材料で製作されて光反射層を有しない底板とによって構成されるエネルギー吸収用穴３１が、複数順序よく並べられている。

図２に示すように、太陽エネルギー吸収装置１００のエネルギー吸収効率を向上させるために、この太陽エネルギー吸収装置１００のカップ状の底部構造１２の中央領域に管状、棒状または板状のエネルギー吸収柱３０が更に設けられる。エネルギー吸収柱３０は光反射層のない吸熱・吸光材料で製作された。

太陽エネルギー吸収装置１００には、その用途により、異なる材料が用いられる。
図３は、太陽エネルギー吸収装置が熱エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の容器壁の構造図である。図３に示すように、太陽エネルギー吸収装置１００が熱エネルギー集中装置である場合には、外壁１１ｂに、集熱可能な集熱管板（市場で注文によって作られる銅製の集熱管板または真空ガラス管を使い、当該集熱管の形状は楕円形、正方形または長方形などでよい）を用いる。このとき、内壁１１ａに、吸熱の光反射材料（例えば、銀めっき光反射材料を使う）を使用する。図５に示すように、底板１２ｂに外壁１１ｂと同じ集熱管板（光反射層を有しない）を使用する。図５は、太陽エネルギー吸収装置が熱エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の底板の構造図である。図３、図５に示すように、より良い保温効果を実現するためには、外壁１１ｂ及び底板１２ｂとして集熱管板を使用する際に、外壁１１ｂ及び底板１２ｂの外側に保温材層１１ｃ（例えば、ポリウレタン保温層を使用できる）を設置する。太陽エネルギー吸収装置１００が熱エネルギー集中装置である場合には、太陽エネルギー吸収装置１００の容器壁１１の外側に更に保温材（例えば、保温レンガ建築）を覆う。

図４は太陽エネルギー吸収装置が太陽エネルギー・電気エネルギー装置である場合の容器壁の構造図である。図４に示すように、太陽エネルギー・電気エネルギー装置としての前記太陽エネルギー吸収装置１００が太陽電池パネルである場合には、外壁１１ｅに太陽電池パネル（市販の赤外線太陽電池パネルを使用する）を使用する。このとき、内壁１１ｄに不可視光を透過できる光反射材料（絶縁膜を真空めっきすることができる青い石英ガラス層）を用いることができる。図６に示すように、底部１２ｅに外壁１１ｅと同じ太陽電池パネル（光反射層を有しない）を用いる。図６は、太陽エネルギー吸収装置が光エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の底板の構造図である。図４、図６に示すように、太陽エネルギー・電気エネルギー装置が太陽電池パネルである場合には、外壁１１ｅ及び底板１２ｅの外側に電池パネル部品１１ｆを設置する。

また、必要に応じて、太陽エネルギー吸収装置１００を下記の材料で製作することもできる。
前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁１１の外壁１１１が使用する吸光、吸熱材料が光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルである場合には、前記内壁１１２に不可視光を透過できる光反射材料を用い、且つ、前記カップ状の底部構造１２に熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板を用いる。

前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁１１の外壁１１１が使用する吸光、吸熱材料が熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板である場合には、前記内壁１１２に吸熱の光反射材料を使用し、且つ、前記カップ状の底部構造１２に光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルを使用する。

また、本発明において、（図１に示すように）前記太陽エネルギー吸収装置１００の下部に、前記ブラケット構造３００に固定される太陽エネルギー利用装置２００を設置することもできる。

本発明の太陽エネルギー利用装置２００は、図１に示すように、ソーラークッカー１８（このソーラークッカー１８にソーラークッカー伝熱装置１５が設置されている）と、ソーラーオーブン１６（このソーラーオーブン１６内に、回転テーブルと、集熱管内の水温を調節して温度を下げたり上げたりするための温度制御装置とが設置されている）と、ソーラー暖炉１７（温度制御装置が設置されている）と、図示しない中小型の太陽蓄電池と、ソーラー湯沸かし器と、ソーラー暖房装置およびソーラー空調設備に熱エネルギーおよび電気エネルギーを供給するための補助設備とを備えることができる。

前記ソーラーオーブン１６では、食品または加工品を焼くことができる。前記ソーラークッカー１８は、伝熱装置を介して食品を加工する。日光が少ない時期に、本発明の装置には、現地の実際の状況に応じて、予備として薪ストーブ、天然ガスストーブまたは電気ストーブなど複数の方式を選択して取り付け使用することができる。前記ソーラー暖炉１７は、加熱、保温装置であり、室内に暖房サービスを提供できる。

本発明に係る太陽エネルギー装置は、太陽電池の発電または熱エネルギー装置の熱供給の機能を発揮でき、電気エネルギーサービス、暖房サービス、熱水供給サービスなど多種類のサービスを提供するよう、電気エネルギーまたは熱エネルギーを蓄電池、電力消費装置または蓄熱装置、温度制御装置、熱エネルギー利用装置に伝達する。

本発明に係る太陽エネルギー装置は、熱エネルギーパネルと電気エネルギーパネルとを組み合わせた結合体でもよく、最大限に太陽光の光エネルギー、熱エネルギーの２種類のエネルギ―を利用する。太陽電池の発電用途として、この太陽エネルギー装置は、エネルギー吸収装置の上下部の電気エネルギーパネル構造に透過性のある光エネルギー、熱エネルギー（すなわち不可視光、例えば赤外線など）を吸収する太陽電池部品と、可視光を吸収する太陽電池部品との二形式の組み合わせを使用でき、太陽光の各種形式の光エネルギー資源を十分に利用する。

本発明の太陽エネルギー装置は、独立製品として工場、住民の住宅、太陽エネルギー発電所、集中熱供給工場などの各種類の電気エネルギー、熱エネルギー施設を必要とする場所に広く用いられる。

以下、上述した構造を有する集光及び集熱を行う太陽エネルギー装置におけるエネルギー集中の手順について説明する。
本発明は光の反射原理に基づいて太陽エネルギーに対して吸光、吸熱を行う。

本発明の太陽エネルギー吸収装置１００では、太陽光が、太陽エネルギー吸収装置１００の内部で太陽エネルギー吸収装置１００の内壁１１２によって、内側に且つ下側に複数回にわたって反射する（図１の点線で示す）。太陽エネルギー吸収装置の底部領域には光反射層がないので、太陽光は、太陽エネルギー吸収装置内に十分に集光集熱される。太陽エネルギー吸収装置１００の高さをｈとすると、太陽エネルギー吸収装置１００の底板１２から約１/２ｈの底部領域が集光、集熱効果が一番よい領域（図１の記号１３の領域で示す）となる。このような領域を、エネルギー集中領域１３と称する。このようなエネルギー集中方式では光エネルギー、熱エネルギー収集の使用効率が向上し、明らかにフラット式太陽エネルギーパネルのエネルギー集中効率よりも高くなり、実際に使用するときに、太陽光の採光接触面積を拡大し、太陽エネルギーの光エネルギー、熱エネルギーの集光、集熱効果を増強し、太陽エネルギーパネルの設置面積を減少した。

太陽エネルギー吸収装置１００が集光装置、すなわち光電エネルギー装置である場合には、太陽光が光反射材または光反射コ―ト層の反射層１１ｄに達すると、太陽光の赤外線などの各種類の不可視光の一部が反射層１１ｄを透過して外壁１１ｂに集光でき、他の部分は反射層１１ｄによって複数回反射し、集光効率が向上した。

上述の実施例は単に本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において上述の実施例に対して行う変化及び変形が本発明の特許請求の範囲に含まれることは、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明白であろう。

例えば、本発明に係る太陽エネルギー装置における太陽エネルギー吸収装置１００の幾何構造は、細長くて上が広く下が狭く、その断面形状が細長い台形構造または細長くて上が広く下が狭い幾何構造であり、すなわち円形、楕円形の平面構造、正方形、長方形（或は多角形）の平面構造、または孤状と直線との組み合わせた平面構造であってもよい。図７は、太陽エネルギー吸収装置が正方形または長方形（或は多角形）構造の平面概念図である。図８は、太陽エネルギー吸収装置が円形または楕円形構造の平面概念図である。

図１は、本発明に係る太陽エネルギー装置の実施例における奥行方向の断面構造の概念図である。 図２は、太陽エネルギー吸収装置の頂部に透明で光透過性の保温層を使用しない概念図である。 図３は、太陽エネルギー吸収装置が熱エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の容器壁の構造図である。 図４は、太陽エネルギー吸収装置が光エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の容器壁の構造図である。 図５は、太陽エネルギー吸収装置が熱エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の底板の構造図である。 図６は、太陽エネルギー吸収装置が光エネルギー集中装置である場合の太陽エネルギー吸収装置の底板の構造図である。 図７は、太陽エネルギー吸収装置が正方形または長方形（あるいは多角形）の太陽エネルギー装置である場合の構造平面図である。 図８は、太陽エネルギー吸収装置が円形または楕円形である場合の構造平面図である。

Claims (10)

1. 中空体の構築物であるブラケット構造と、
   該ブラケット構造の中空体内に置かれ、上が広く下が狭い幾何構造の容器壁によって構成される中空体を含み、且つ該中空体に少なくとも一つのカップ状の底部構造が設けられた少なくとも一つの太陽エネルギー吸収装置と
   を備えた集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置であって、
   前記容器壁が、吸光及び／または吸熱材料で製作された外壁と、該外壁に密着し、光反射可能で不可視光を透過できる材料で製作された内壁とによって構成され、
   前記内壁の構造が、弧状または板状であって、上から下に向かう太陽光を前記太陽エネルギー吸収装置の内部で内側に且つ下側に反射させて、前記太陽エネルギー吸収装置の内部のカップ状の底部構造に集光及び／または集熱効果を発生させるものであり、さらに、
   前記カップ状の底部構造が、前記太陽エネルギー吸収装置の外壁と同じ材料で製作された
   ことを特徴とする集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
2. 前記太陽エネルギー吸収装置の内壁に、
   前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁と同じ材料で製作された穴の壁と、
   前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁と同じ材料で製作された底板と
   によって構成されるエネルギー吸収用穴が複数順序よく並ぶように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
3. 前記太陽エネルギー吸収装置のカップ状の底部構造の中央領域に、
   光反射層のない吸熱及び／または吸光材料で製作されたエネルギー吸収柱が更に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
4. 前記太陽エネルギー吸収装置の頂部に、
   熱エネルギーの保温・集熱効果を増強するように、透明で光透過性材料で製作された保温シール層が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
5. 前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板である場合に、
   前記内壁に吸熱性の光反射材料が用いられ、
   前記カップ状の底部構造に前記外壁と同じ集熱管板が用いられ、且つ
   前記外壁と前記カップ状の底部構造の外側に保温材層が設けられた
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
6. 前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルである場合に、
   前記内壁に不可視光を透過できる光反射材料が用いられ、
   前記カップ状の底部構造に前記外壁と同じ太陽電池パネルが用いられ、且つ
   前記外壁と前記カップ状の底部構造の外側に電池パネル部品が設けられた
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
7. 前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルである場合に、
   前記内壁に不可視光を透過できる光反射材料が用いられ、且つ、
   前記カップ状の底部構造に熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板が用いられることを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
8. 前記太陽エネルギー吸収装置の容器壁の外壁が熱エネルギーパネルとして使用される集熱管板である場合に、
   前記内壁に吸熱性の光反射材料が用いられ、且つ、
   前記カップ状の底部構造に光電エネルギーパネルとしての太陽電池パネルが用いられることを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
9. 前記太陽エネルギー吸収装置の下部に、
   前記ブラケット構造に固定される、ソーラークッカーとソーラーオーブンとソーラー暖炉とを含む太陽エネルギー利用装置が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。
10. 前記ブラケット構造が、金属構造、フレーム構造またはコンクリートレンガ構造の部材によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の集光及び／または集熱を行う太陽エネルギー装置。

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